Understanding CMOS Image Sensor(一)

下面介绍一种最简单的方法。这个方法考虑3×3范围内的9个像素,为简单起见只考虑两种情形,即中心像素为红色和绿色,其它情形同理。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

中心像素为R

Understanding CMOS Image Sensor(一)

中心像素为Gr

上述过程常称为Bayer Demosaic,或者Debayer,经过此操作之后,每个像素就包含了3个完整的颜色分量,如下图所示。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Understanding CMOS Image Sensor(一)

上述各种Bayer格式的共同特点是接受一种颜色而拒绝两种颜色,因此理论上可以近似认为光能量损失了2/3,这是非常可惜的。为了提高光能量的利用率,人们提出了RYYB的pattern,这是基于CMY三基色的CFA pattern,Cyan是青色(Red的补色),Magenta是品红(Green的补色),Yellow是黄色(Blue的补色)。目前这种特殊的Bayer pattern已经在华为P30系列和荣耀20手机上实现了量产。据华为终端手机产品线总裁何刚透露,为了保证RYYB阵列在调色方面的准确性,华为付出了整整3年的时间。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

1.5 成像与读出

Sensor成像的过程可以比喻成用水桶接水的过程,如下图所示。在这个比喻中,雨水即相当于光子,每个水桶即相当于一个像点,水桶收集雨水的过程即相当于像点的曝光过程。当收集到合适数量的雨水后,会有专门的工序统计每一个水桶收集到多少雨水,然后将桶倒空,重新开始下一次收集。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

像点记录光信号以及信号读出的原理和计算机内存的工作原理非常相似。sensor 会使用一个行选信号(Row Select)和一个列选信号(Column Select)来选中一个存储单元(Pixel),被选中的存储单元与输出放大器联通,将其存储的电荷数转换成电压值输出到阵列外部。下图说明了这个过程。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

像素读出的基本过程是

每个像素内置一个电荷/电压放大器(Charge/Voltage Converter, CVC),将像素势阱中电荷的数量转换成电压信号

读出逻辑选中某一行,该行所有像素的电荷/电压放大器的输出信号与列输出信号联通

读出逻辑继续选中某一列,该列信号与可编程输出放大器(Output Amplifier)联通,被选中的像素的电压信号被放大一定倍数

放大后的电压信号经ADC转换器后变成数字信号,在sensor 内部经过一定的ISP处理,最后通过一定的接口协议(如MIPI)输出到外部

Understanding CMOS Image Sensor(一)

1.6 卷帘曝光(rolling shutter)

CMOS sensor 的典型曝光方式称为卷帘曝光(rolling shutter),其曝光过程涉及两个控制信号,即

一个reset 信号负责将某一行像素清零,使其从零开始积累电荷

一个read 信号负责选择某一行,导致该行被读出

这两个信号的工作时序是reset 信号在先,read 信号在后,之间相差一个恒定的间隔,这个间隔在空间上看是两个信号前后相差固定的行数,在时间上看是一行像素被清零后,等待固定的时间后即被读出。

一行像素在遇到reset 信号之前处于“自由曝光”的状态,在遇到reset 之后开始“受控曝光”,在遇到read 信号之后又恢复到“自由曝光”状态,如下图所示。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

读出机制 – rolloing shutter

下图显示了一个像素的曝光过程。

一个曝光过程从RESET开始,RESET信号保持一段时间后像素清零,恢复高电压

像素自由积分,时间取决于用户设置的曝光时间

像素采样,准备读出

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Rolling shutter 在空间和时间上的关系如下图所示。

Understanding CMOS Image Sensor(一)

Understanding CMOS Image Sensor(一)

显然,sensor read 信号与 reset 信号之间的时间间隔就是每个像素能够积累光信号的时间,也就是人们所熟知的“曝光时间(exposure time)”,在技术领域则更多会使用“积分时间(integration time)”这个术语,它一般是以行为单位的一个量,能够精确地反映像素曝光过程的物理本质和实现原理。

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